采用FPGA/MCU技術(shù)的光電式滾轉(zhuǎn)角測量儀的解決方案

本文設(shè)計(jì)基于FPGA/MCU的光電式滾轉(zhuǎn)角測量儀，安裝于實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)臺上，實(shí)時(shí)輸出滾轉(zhuǎn)角度值，為彈體的滾轉(zhuǎn)角測量提供對照基準(zhǔn)，并可與上位機(jī)進(jìn)行通信，將數(shù)據(jù)傳送到主機(jī)中進(jìn)行后續(xù)處理。

　　系統(tǒng)整體方案

　　滾轉(zhuǎn)角測量儀物理架構(gòu)如圖1、2所示。a為滾轉(zhuǎn)體，可沿軸向做360度旋轉(zhuǎn)，在滾轉(zhuǎn)體上某固定位置安裝紅外發(fā)光二極管k，光束方向沿截面徑向朝外；b為側(cè)支架，為了減少環(huán)境光線的干擾，采用封閉式設(shè)計(jì)，沿支架周向均勻安裝n個(gè)光敏接收電路gl-gn，n值視所需測量精度而定；當(dāng)滾轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)到某角度時(shí)，延徑向發(fā)射紅外光，側(cè)支架上的光敏三極管對其進(jìn)行接收，把光信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，經(jīng)過處理之后送給主控板，主控板通過判斷是哪個(gè)光敏三極管接收到了信號來確定滾轉(zhuǎn)角度，滾轉(zhuǎn)體也可能會剛好旋轉(zhuǎn)到兩個(gè)光敏三極管之間，導(dǎo)致二者同時(shí)接收到光信號，此時(shí)可對信號進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，然后通過相應(yīng)算法對轉(zhuǎn)換值進(jìn)行處理，從而解算出滾轉(zhuǎn)角。

　　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　滾轉(zhuǎn)角測量儀的硬件框圖如圖3所示，包括紅外光發(fā)射模塊、光敏接收模塊、FPGA/MCU信息處理模塊、電源模塊、LED顯示模塊等，以下分別進(jìn)行具體介紹。

　　紅外光發(fā)射模塊選用方向性較強(qiáng)的窄角度紅外發(fā)光二極管PH303，波長0.94mm，通過510Ω限流電阻與彈上的陀螺儀或者磁探測模塊相連接，當(dāng)滾轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)到某角度時(shí)由單片機(jī)控制其持續(xù)發(fā)光。由于發(fā)光二極管與光敏接收模塊之間的距離較短，僅有3~4cm，因此采用小功率直射方式便可滿足要求。

　　光敏接收模塊采用UNI公司的NPN光敏三極管MID-32A22，接收光波長也為0.94mm。接收模塊電路如圖4所示，實(shí)物如圖5所示，Q1為光敏三極管，LM358D為雙通道集成運(yùn)算放大器。在Q1上施加9V的偏置電壓，保證集電結(jié)處于反向偏置，發(fā)射結(jié)處于正向偏置。室溫條件下，當(dāng)受到紅外光照射時(shí)，發(fā)射集的輸出電流與入射光強(qiáng)度呈線性關(guān)系，范圍在1.5~2mA之間，R4取值為330Ω，則LM358D的引腳5輸入電壓在0.5~0.66V之間。前級運(yùn)放搭建成同相比例放大器，取R1=1kW，R2=5kW，放大倍數(shù)為(1+5/1)=6倍，則引腳7的輸出電壓在以上。后級運(yùn)放搭建成一階低通有源濾波器，取R3=15.8kW，C1=0.1mF，截止頻率為100Hz。Ax(x=1-n)為經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換及信號調(diào)理之后的輸出信號，本系統(tǒng)中n取值為37，即在側(cè)支架上沿周向均勻安裝37個(gè)光敏接收模塊。當(dāng)Q1接收到足夠強(qiáng)度的入射紅外光時(shí)Ax輸出為高電平，沒有受到入射光照射時(shí)保持為低電平，信號直接送至FPGA/MCU信息處理模塊的相應(yīng)引腳。

　　FPGA/MCU信息處理模塊：FPGA作為主處理器，兩片MCU作為協(xié)處理器，F(xiàn)PGA與MCU及上位機(jī)之間均使用串口通信方式。

　　FPGA采用Altera公司的EP1C3T144，具有2910個(gè)邏輯單元，可用IO引腳達(dá)104個(gè)，集成1個(gè)PLL模塊，使用與1.5V聯(lián)合供電，上電次序可任意配置，可靈活選擇使用主動串行方式或者JTAG方式進(jìn)行調(diào)試，外接50MHz有源晶振為芯片提供基準(zhǔn)頻率。

　　MCU選用Cygnal公司的C8051F310，工作電壓2.7V~3.6V，最高工作頻率可達(dá)25MHz，提供1280字節(jié)RAM和16Kb FLASH，29個(gè)耐5V電壓的可配置IO引腳，片內(nèi)集成21路10位200KSPS ADC及硬件增強(qiáng)型UART，可使用Silicon lab2線調(diào)試方式。